(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、並走する第１光導波路および第２光導波路を有する誘電体膜と、
前記誘電体膜上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、前記第１光導波路および前記第２光導波路の間に配置された信号線と、前記第１光導波路に対する前記第２光導波路とは反対側の第１領域に配置された第１グランド線と、前記第２光導波路に対する前記第１光導波路とは反対側の第２領域に配置された第２グランド線とを有するコプレーナ線路と、
前記第１領域および前記第２領域において前記誘電体膜と接してまたは前記絶縁膜の内部に設けられ、前記第１光導波路および前記第２光導波路に対するバイアス電圧を印加する補助電極と、
を備える光デバイス。
【請求項２】
前記補助電極は、前記第１グランド線および前記第２グランド線よりも前記第１光導波路および前記第２光導波路に近接して設けられた請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記誘電体膜は、
入射光を分岐して前記第１光導波路および前記第２光導波路へと導く第１光カプラと、
前記第１光導波路および前記第２光導波路からの光を合波する第２光カプラと、
を更に有し、
前記第１光導波路、前記第２光導波路、前記第１光カプラ、および前記第２光カプラは、マッハツェンダ型光導波路を形成する請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記第１領域に設けられた前記補助電極は、正極のバイアスが印加される電極であり、
前記第２領域に設けられた前記補助電極は、負極のバイアスが印加される電極である請求項１から３のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記基板は、単結晶材料で形成される請求項１から４のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記基板は、サファイア基板またはＭｇＯ基板である請求項５に記載の光デバイス。
【請求項７】
前記誘電体膜は、強誘電体薄膜である請求項１から６のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項８】
前記強誘電体薄膜は、ペロブスカイト結晶構造であるＰＺＴ薄膜、ＰＬＺＴ薄膜、またはＢａＴｉＯ３薄膜である請求項７に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記絶縁膜は、ＳｉＯ２またはＳｉＮｘを含む請求項１から８のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記第１領域に設けられた前記補助電極は、前記第１グランド線と接続され、
前記第２領域に設けられた前記補助電極は、前記第２グランド線と接続され、
前記第１グランド線および前記第２グランド線は、コンデンサを介して予め定められた基準電圧に接続される請求項１から９のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記第１光導波路および前記第２光導波路の間において、前記誘電体膜と接してまたは前記誘電体膜と前記絶縁膜との間に設けられ、予め定められた基準電圧に接続される接地電極を更に備える請求項１から１０のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記コプレーナ線路の前記信号線は、前記接地電極と接続され、
前記コプレーナ線路は、
前記絶縁膜上の前記第１領域において、前記信号線と前記第１グランド線との間に形成される第１差動信号線と、
前記絶縁膜上の前記第２領域において、前記信号線と前記第２グランド線との間に形成される第２差動信号線と、
を更に有する請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の光デバイスと、
前記信号線に予め定められた周波数の周波数信号を供給する周波数信号源と、
を備える光変調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスおよび光変調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
印加する電界強度に対して屈折率の変化がＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）とは異なる、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰｂＬａＺｒＴｉＯ系の複合酸化物、ＰＬＺＴと略す）結晶等を用いたマッハツェンダ型光デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような光デバイスを高速に動作させるために、ＰＬＺＴ結晶上にＳｉＯ２等の絶縁膜を形成してから電極を形成させることが知られている。
特許文献１  特開２００６−５８８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような絶縁膜を電極とＰＬＺＴ結晶との間に形成すると、電極とＰＬＺＴ結晶との距離が遠くなるので、電極に印加した電圧に応じて生じる電界が、ＰＬＺＴ結晶で形成される導波路に届きにくくなる。したがって、印加電圧に対して導波路に印加される電界強度が低下してしまう。このため、例えば、マッハツェンダ型光デバイスを光変調器として用いる場合、入力光の位相を半波長シフトさせるのに必要な印加電圧であるＶπ電圧を高い電圧値としていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、基板と、基板上に形成され、並走する第１光導波路および第２光導波路を有する誘電体膜と、誘電体膜上に形成された絶縁膜と、絶縁膜上に形成され、第１光導波路および第２光導波路の間に配置された信号線と、第１光導波路に対する第２光導波路とは反対側の第１領域に配置された第１グランド線と、第２光導波路に対する第１光導波路とは反対側の第２領域に配置された第２グランド線とを有するコプレーナ線路と、第１領域および第２領域において誘電体膜と接してまたは絶縁膜の内部に設けられ、第１光導波路および第２光導波路に対するバイアス電圧を印加する補助電極と、を備える光デバイスを提供する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係る光デバイス部１００の構成例を駆動回路部２００と共に示す。
【図２】図１のＡ−Ａ'断面を、駆動回路部２００と共に示す。
【図３】本実施形態に係る誘電体膜２０の印加電界に対する屈折率の変化の一例を示す。
【図４】本実施形態に係る駆動回路部２００の駆動電圧ＶＲＦの一例を示す。
【図５】本実施形態に係る光デバイス部１００の電極間電圧の一例を示す。
【図６】本実施形態に係る光デバイス部１００のバイアス電圧とＶπ電圧の関係を示す。
【図７】本実施形態に係る光デバイス部１００の第１変形例を駆動回路部２００と共に示す。
【図８】本実施形態に係る光デバイス部１００の第２変形例を駆動回路部２００と共に示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本実施形態に係る光デバイス部１００の構成例を駆動回路部２００と共に示す。光デバイス部１００は、強誘電体結晶で形成されるマッハツェンダ光導波路と、信号線と信号線を挟む２つのバイアス印加電極を有するコプレーナ型電極と、誘電体膜とコプレーナ型電極間に形成される絶縁膜とを備え、強誘電体薄膜上または絶縁膜内に形成される補助電極によって、マッハツェンダ光導波路へ効率的に変調電界を印加する。
【０００９】
光デバイス部１００は、第１光導波路１１０と、第２光導波路１２０と、信号線１３０と、第１グランド線１３２と、第２グランド線１３４と、第１光カプラ１４０と、第２光カプラ１４２と、第１補助電極１５０と、第２補助電極１５２と、第１外部電極１６０と、第２外部電極１６２とを備える。
【００１０】
第１光導波路１１０および第２光導波路１２０は、誘電体材料の断面を凸状にしたリッジ型の構造をとり、入力される光を伝送する。第１光導波路１１０および第２光導波路１２０は、伝送する光の波長に応じた幅および高さで凸状に形成されてよい。
【００１１】
信号線１３０は、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０の間に配置される。信号線１３０は、一端が周波数信号源２６０に接続され、他端が終端抵抗２５０に接続され、一端から入力される周波数信号を他端へと伝送する。
【００１２】
第１グランド線１３２は、信号線１３０と、第１光導波路１１０に対する第２光導波路１２０とは反対側の第１領域に配置される。第１グランド線１３２は、基準電圧２１０に接続される。第２グランド線１３４は、信号線１３０と、第２光導波路１２０に対する第１光導波路１１０とは反対側の第２領域に配置される。第２グランド線１３４は、基準電圧２１０に接続される。
【００１３】
ここで、信号線１３０、第１グランド線１３２、および第２グランド線１３４は、コプレーナ伝送線路を形成する。即ち、信号線１３０の線幅、信号線１３０と第１グランド線１３２との間隔、および信号線１３０と第２グランド線１３４との間隔は、信号線１３０の特性インピーダンスに応じて予め定められた値で形成される。これによって、信号線１３０は、数十ＧＨｚに至る高周波信号を伝送することができる。
【００１４】
第１光カプラ１４０は、光デバイス部１００への入力光を分岐して第１光導波路１１０および第２光導波路１２０へと導く。第２光カプラ１４２は、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０からの光を合波する。第２光カプラ１４２は、合波した光を光デバイス部１００の出力光として出力する。
【００１５】
第１光カプラ１４０および第２光カプラ１４２は、２つの入力部のいずれの入力部から入力される光を１対１に分岐して２つの出力部からそれぞれ出力する、２入力２出力の３ｄＢ光カプラであってよい。これに代えて、第１光カプラ１４０は１入力２出力の光分岐カプラ、第２光カプラ１４２は２入力１出力の光合波カプラであってよい。第１光カプラ１４０および第２光カプラ１４２は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラであってよい。
【００１６】
ここで、第１光導波路１１０、第２光導波路１２０、第１光カプラ１４０、および第２光カプラ１４２は、マッハツェンダ型光導波路を形成する。即ち、光デバイス部１００は、入力光を第１光カプラ１４０で２つに分岐して第１光導波路１１０および第２光導波路１２０へと伝送させ、第２光カプラ１４２で合波して合波した光を出力する。ここで光デバイス部１００は、駆動回路部２００からコプレーナ伝送路に印加された信号に応じて、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０に電界を印加して伝送する光の位相を変調し、第２光カプラ１４２で合波することで位相差に応じて強度変調された光を出力する。
【００１７】
第１補助電極１５０は、第１光導波路１１０に対するバイアス電圧を印加する。第１外部電極１６０は、光デバイス部１００の表面に形成され、第１補助電極１５０と電気的に接続して駆動回路部２００からのバイアス電圧を第１補助電極１５０に供給する。
【００１８】
第２補助電極１５２は、第２光導波路１２０に対するバイアス電圧を印加する。第２外部電極１６２は、光デバイス部１００の表面に形成され、第２補助電極１５２と電気的に接続して駆動回路部２００からのバイアス電圧を第２補助電極１５２に供給する。
【００１９】
駆動回路部２００は、第１補助電極１５０および第２補助電極１５２に互いに異なる第１バイアス電圧および第２バイアス電圧を印加し、信号線１３０に第１バイアス電圧および第２バイアス電圧の間の制御電圧を印加する。駆動回路部２００は、基準電圧２１０と、第１電源部２２０と、第２電源部２２２と、第１インダクタ２３０と、第２インダクタ２３２と、第１コンデンサ２４０と、第２コンデンサ２４２と、終端抵抗２５０と、周波数信号源２６０を備える。
【００２０】
基準電圧２１０は、予め定められた電圧を供給する。本実施例において、基準電圧２１０は、ＧＮＤ（０Ｖ）電圧である。
【００２１】
第１電源部２２０は、第１バイアス電圧を、第１インダクタ２３０および第１外部電極１６０を介して第１補助電極１５０へ供給する。第１インダクタ２３０は、第１バイアス電圧を出力する第１電源部２２０と第１外部電極１６０との間に接続される。
【００２２】
第２電源部２２２は、第２バイアス電圧を、第２インダクタ２３２および第２外部電極１６２を介して第２補助電極１５２へ供給する。第２インダクタ２３２は、第２バイアス電圧を出力する第２電源部２２２と第２外部電極１６２との間に接続される。
【００２３】
第１コンデンサ２４０は、基準電圧２１０と第１外部電極１６０との間に接続される。これによって、第１外部電極１６０は、直流成分をオープンとしつつ、高周波数成分を低抵抗で基準電圧であるＧＮＤ電圧に接続する。
【００２４】
第２コンデンサ２４２は、基準電圧２１０と第２外部電極１６２との間に接続される。これによって、第２外部電極１６２は、直流成分をオープンとしつつ、高周波数成分を低抵抗で基準電圧であるＧＮＤ電圧に接続する。
【００２５】
終端抵抗２５０は、信号線１３０を終端する。一例として、信号線１３０は特性インピーダンスが５０Ωの伝送線路であり、終端抵抗２５０の抵抗値は５０Ωである。
【００２６】
周波数信号源２６０は、信号線１３０に予め定められた周波数の周波数信号を制御信号として供給する。ここで、周波数信号源２６０は、数十ＧＨｚに至る周波数信号を供給してよい。
【００２７】
以上のように、第１グランド線１３２および第２グランド線１３４は、ＧＮＤ電圧に接続され、信号線１３０は、一端が終端され他端から高周波信号が供給される。即ち、信号線１３０、第１グランド線１３２、および第２グランド線１３４は、コプレーナ伝送路として機能する。
【００２８】
図２は、図１のＡ−Ａ'断面を、駆動回路部２００と共に示す。ここで、本図において、図１に示された本実施形態に係る光デバイス部１００および駆動回路部２００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。光デバイス部１００は、基板１０と、誘電体膜２０と、絶縁膜３０とを備える。
【００２９】
基板１０は、単結晶材料で形成される。例えば、基板１０は、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）基板またはＭｇＯ基板である。一例として、基板１０は、サファイア基板の（１１０２）面が表面になるように切り出されて研磨された、Ｒ−ｃｕｔサファイアと呼ばれる基板である。
【００３０】
これに代えて、基板１０は、何らかの層が基板上に積層されたものでよい。即ち基板１０は、表面上に誘電体膜２０を成膜するので、基板材料が誘電体膜２０へ拡散することの防止および／または誘電体膜２０と格子整合のするためのバッファ層が積層された基板でよい。
【００３１】
誘電体膜２０は、基板１０上に形成され、並走する第１光導波路１１０および第２光導波路１２０を有する。また、誘電体膜２０は、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０とそれぞれ接続する第１光カプラ１４０および第２光カプラ１４２を有する。
【００３２】
誘電体膜２０は、強誘電体薄膜である。誘電体膜２０は、エピタキシャル成長で形成されてよい。誘電体膜２０は、例えば１０μｍ以下の厚さの薄膜でよい。また、誘電体膜２０は、８５０ｎｍ帯、１３００ｎｍ帯、および１５００ｎｍ帯といった光通信で用いられる波長の光を伝送する光導波路のコア材料を形成してよい。また、誘電体膜２０は、伝送する光の波長に基づいて、膜厚が設計されてよい。
【００３３】
誘電体膜２０は、ＰＺＴ薄膜、ＰＬＺＴ薄膜、またはＢａＴｉＯ３薄膜といった強誘電体薄膜である。ＰＬＺＴ結晶、ＰＺＴ結晶、およびＢａＴｉＯ３結晶等は、結晶構造の一種であるペロブスカイト構造を有する強誘電体結晶であり、温度および材料組成によって正方晶、斜方晶、菱面体晶、または立方晶等の結晶構造に変化する。しかしながら、ＰＬＺＴ結晶等は、特定の基板上に薄膜として成長させると、基板材料の格子定数とバルクの単結晶基板の格子定数とが異なるので、薄膜に応力が印加されて結晶構造が変化する場合がある。
【００３４】
例えば、誘電体膜２０であるＰＬＺＴ薄膜がサファイア（１１０２）基板上に形成された場合、ＰＬＺＴ薄膜は、 ＰＬＺＴ［１１０］方向に優先配向する。このように、誘電体膜２０は、結晶配列方向を適切に選択した基板１０上に適切な構造の結晶として形成されると、基板１０の表面と並行に結晶が配向するので、自発分極の方向を基板１０の面と並行にすることができる。これにより、光デバイス部１００は、ＰＬＺＴ薄膜の分極容易軸に対して平行に電界を印加するデバイスに適した基板を提供できる。
【００３５】
絶縁膜３０は、誘電体膜２０上に形成される。絶縁膜３０は、ＳｉＯ２またはＳｉＮｘを含む。絶縁膜３０は、誘電体膜２０より比誘電率が低い低誘電率膜でよい。ここで、基板１０も、誘電体膜２０より比誘電率が低くてよい。例えば、絶縁膜３０および基板１０の比誘電率はそれぞれ１０以下、誘電体膜２０の比誘電率は数百から数千程度である。
【００３６】
これによって、比誘電率の高い誘電体膜２０は、比誘電率および屈折率の低い基板１０と絶縁膜３０で挟まれる構造になるので、効率的な光の閉じ込め効果を有する第１光導波路１１０および第２光導波路１２０を形成することができる。また、光デバイス部１００に変調信号を与えて変調器として用いる場合、基板１０および絶縁膜３０の厚みや材質を変えて実効誘電率を調整することで、変調信号の伝送速度と第１光導波路１１０および第２光導波路１２０を伝送する光波の伝送速度とを一致させる速度整合を実現させることができる。また、基板１０と絶縁膜３０は、変調信号を伝送させる伝送ラインの特性インピーダンスを、例えば５０Ωといった予め定められた値にすることができる。
【００３７】
信号線１３０と第１グランド線１３２および第２グランド線１３４とを有するコプレーナ伝送線路は、絶縁膜上に形成される。伝送線路は、金を含む金属で形成されてよい。
【００３８】
第１補助電極１５０は、第１領域において誘電体膜２０と接してまたは絶縁膜３０の内部に設けられ、第１光導波路１１０に対するバイアス電圧を印加する。第１補助電極１５０は、第１グランド線１３２よりも第１光導波路１１０に近接して設けられてよい。
【００３９】
第２補助電極１５２は、第２領域において誘電体膜２０と接してまたは絶縁膜３０の内部に設けられ、第２光導波路１２０に対するバイアス電圧を印加する。第２補助電極１５２は、第２グランド線１３４よりも第２光導波路１２０に近接して設けられてよい。図中において、第１補助電極１５０および第２補助電極１５２は、誘電体膜２０上に形成される例を示した。また、第１外部電極１６０および第２外部電極１６２は、絶縁膜３０上に形成される。
【００４０】
ここで、従来の光デバイスは、コプレーナ伝送線路の第１グランド線１３２および／または第２グランド線１３４にバイアス電圧を印加して、第１光導波路１１０および／または第２光導波路１２０に対して電界を印加していた。例えば、信号線１３０および第１グランド線１３２は第１光導波路１１０に、信号線１３０および第２グランド線１３４は第２光導波路１２０に電界を印加する。
【００４１】
このような光デバイスは、信号線１３０を伝送する信号の伝送速度と、光導波路を伝送する光波の伝送速度との不整合に起因する損失、および／または、誘電体膜２０が高周波の分極に追随できなくなる誘電正接に起因する損失等を緩和する目的で、例えば、厚さ１μｍ以上の絶縁膜３０を形成して、１ＧＨｚ程度以上の周波数信号を信号線１３０に伝送させていた。しかしながら、絶縁膜３０の厚さを１μｍ程度以上に形成すると、信号線１３０と第１光導波路１１０および第２光導波路１２０との間隔が絶縁膜３０の厚さに応じて離れるので、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０に印加される電界強度が減少する。
【００４２】
したがって、このような光デバイスは、絶縁膜３０の厚さを厚くした分に応じて、信号線１３０に印加する電圧および／またはバイアス電圧を増加して、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０に印加される電界強度を調節していた。例えば、このような光デバイスを光変調器に用いた場合、入力光を半周期だけ変調させるのに必要な印加電圧であるＶπ電圧が、絶縁膜３０の厚さに応じて増加していた。また、Ｖπ電圧を最小にする目的でバイアス電圧を増加させると、バイアス電圧は、１４０Ｖ以上に達することもあった。
【００４３】
これに対して、本実施形態に係る光デバイス部１００の信号線１３０および第１補助電極１５０は、図中のＶ１で示した電極間電圧に応じた電界を、第１光導波路１１０に印加し、信号線１３０および第２補助電極１５２は、図中のＶ２で示した電極間電圧に応じた電界を、第２光導波路１２０に印加する。即ち、光デバイス部１００は、絶縁膜３０上に形成した電極間の電界のもれ電界を光導波路に印加するのではなく、絶縁膜３０上に形成した電極と誘電体膜２０上に形成された電極との間に電界を生じさせ、生じさせた電界をより直接的に光導波路に印加する。これによって、光デバイス部１００は、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０に印加する電界強度の低減を防ぎつつ、絶縁膜３０の厚さを１μｍ程度以上に形成することができる。
【００４４】
図３は、本実施形態に係る誘電体膜２０の印加電界に対する屈折率の変化の一例を示す。図中の横軸は、誘電体膜２０へ印加する電圧に応じて生じる印加電界強度を示す。縦軸は、誘電体膜２０の印加電界に対する屈折率の変化を示す。
【００４５】
ＰＬＺＴ結晶、ＰＺＴ結晶、およびＢａＴｉＯ３結晶等によって形成される誘電体膜２０は、印加電界に対して分極反転を生じるので、印加電界に対して直線的な屈折率変化を示すＬｉＮｂＯ３結晶等とは異なり、印加電界に対して例えばバタフライ形状の複雑な屈折率変化を示す。したがって、誘電体膜２０は、制御信号として正弦波電圧を印加する場合に、オフセット電圧を加えないと、屈折率の変化は正弦波から歪んだ特性となる。ここで、自発分極を有し、印加電界に対して分極が反転する誘電体膜を強誘電体膜と呼ぶ。
【００４６】
一方、正負の印加電界範囲において直線的な屈折率変化を示すＬＮ結晶等は、マッハツェンダ型光導波路を形成して光変調器として用いる場合、Ｇ（グランド）、Ｓ（シグナル）、Ｇ（グランド）電極を備えるコプレーナ伝送線路を形成して変調動作させることが知られている。このようなＬＮ光変調器は、マッハツェンダ型光導波路の並走する２本の光導波路間にＳ電極が配置されて制御信号が印加され、当該並走する２本の光導波路は、互いに逆方向の電界がそれぞれ印加される。即ち、並走する２本の光導波路を通過する光は、逆方向の位相変化を受けて光変調動作する。
【００４７】
しかしながら、ＰＬＺＴ等の強誘電体は、図のように、印加電界強度の絶対値の変化に対して、正の印加電界範囲の屈折率の傾きと、負の印加電界範囲の屈折率の傾きとが、ほぼ一致するように変化する。このような強誘電体を用いた光デバイスは、ＬＮ光変調器と同様のＧＳＧ型のコプレーナ伝送線路を適用する場合、並走する２本の光導波路に同一方向の電界が印加される。即ち、並走する２本の光導波路内を通過する光は、同一方向の位相変化を受けて位相差が得られないので、ＰＬＺＴ等の強誘電体を用いた光デバイスは、光変調器または光スイッチとしての動作が不安定、または動作不能となっていた。
【００４８】
これに対して、本実施例の駆動回路部２００は、オフセット電圧であるバイアス電圧Ｖｂを制御信号に加えて誘電体膜２０に印加する。ここで、バイアス電圧Ｖｂは、バイアス電圧Ｖｂを中心として制御信号の振幅電圧だけ増減しても、誘電体膜２０の屈折率変化がほぼ直線的に変化するように、予め定められてよい。一例として、制御信号の振幅電圧を２０Ｖとすると、８０〜１２０Ｖの範囲でほぼ直線的に変化する誘電体膜２０の屈折率変化を用いるように、Ｖｂは１００Ｖと定められる。
【００４９】
このように、バイアス電圧Ｖｂを印加することによって、誘電体膜２０は、印加された制御信号とほぼ相似な屈折率変化の特性を示すことができる。ここで、図中の例における誘電体膜２０は、印加電界に対して負の傾きの屈折率変化を示すので、印加された正弦波の制御信号に対して位相が反転する。
【００５０】
図４は、本実施形態に係る駆動回路部２００の駆動電圧ＶＲＦの一例を示す。図中の横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。ここで、第１領域に設けられた第１補助電極１５０は、正極のバイアスが印加される電極であり、第２領域に設けられた第２補助電極１５２は、負極のバイアスが印加される電極である。
【００５１】
例えば、第１電源部２２０は、第１バイアス電圧としてＶｂ＋（＝１００Ｖ）を、第１補助電極１５０へ供給し、第２電源部２２２は、第２バイアス電圧としてＶｂ−（＝−１００Ｖ）を、第２補助電極１５２へ供給する。また、周波数信号源２６０は、第１バイアス電圧Ｖｂ＋および第２バイアス電圧Ｖｂ−の間の制御信号である振幅２０Ｖの正弦波信号ＶＲＦを信号線１３０に印加する。
【００５２】
したがって、第１光導波路１１０は、第１バイアス電圧Ｖｂ＋が印加された第１補助電極１５０と、正弦波信号ＶＲＦが印加された信号線１３０との電極間電圧Ｖ１＝Ｖｂ＋−ＶＲＦに応じた電界が印加される。同様に、第２光導波路１２０は、第２バイアス電圧Ｖｂ−が印加された第２補助電極１５２と、正弦波信号ＶＲＦが印加された信号線１３０との電極間電圧Ｖ２＝ＶＲＦ−Ｖｂ−に応じた電界が印加される。
【００５３】
図５は、本実施形態に係る光デバイス部１００の電極間電圧の一例を示す。図中の横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。電極間電圧Ｖ１＝Ｖｂ＋−ＶＲＦは、Ｖｂ＋（＝１００Ｖ）を中心に、振幅２０Ｖだけ増減する位相が１８０度反転した正弦波信号の波形となる。また、電極間電圧Ｖ２＝ＶＲＦ−Ｖｂ−は、−Ｖｂ−（＝Ｖｂ＋＝１００Ｖ）を中心に、振幅２０Ｖだけ増減する正弦波信号の波形となる。
【００５４】
即ち、駆動回路部２００は、光デバイス部１００の第１光導波路１１０および第２光導波路１２０に対して、逆位相の電界を印加することができる。このように、駆動回路部２００は、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０にｐｕｓｈ−ｐｕｌｌ駆動することで、第１光導波路１１０または第２光導波路１２０の片側だけに電界を印加する片側駆動に比べて、２つの光導波路を伝わる光の位相差を約２倍にすることができる。
【００５５】
このように、駆動回路部２００は、１つの周波数信号源２６０からの制御信号を用いて、ＰＬＺＴ等で形成された第１光導波路１１０および第２光導波路１２０にｐｕｓｈ−ｐｕｌｌ駆動させる電界を効率的に印加することができる。これによって、光デバイス部１００および駆動回路部２００は、複数のバイアスＴ、付加回路、および差動信号ドライバ等を用いずに光変調動作を実行することができる。
【００５６】
以上の本実施形態に係る光デバイス部１００および駆動回路部２００によれば、印加電界強度に対して屈折率が複雑に変化するＰＬＺＴ結晶等を用いたマッハツェンダ型光デバイスに対して、コプレーナ型電極を形成して高速な制御信号を伝送させつつ、制御信号に応じて２つの光導波路に逆位相の電界を印加することができる。これによって、光デバイス部１００は、数十ＧＨｚの制御信号に追随する光変調器として動作することができる。
【００５７】
また、光デバイス部１００は、絶縁膜３０を備え、変調信号の伝送速度と第１光導波路１１０および第２光導波路１２０を伝送する光波の伝送速度とを一致させて速度整合しつつ、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０に効率的に電界を印加することができ、Ｖπ電圧の増加を防止する。
【００５８】
図６は、本実施形態に係る光デバイス部１００のバイアス電圧とＶπ電圧の関係を示す。図中の横軸は、バイアス電圧の絶対値（＝Ｖｂ＋＝−Ｖｂ−）を示し、縦軸はバイアス電圧に応じたＶπ電圧の実測値の一例を示す。
【００５９】
図中の□でプロットしたグラフは、コプレーナ伝送線路の第１グランド線１３２および第２グランド線１３４にバイアス電圧を印加した従来構造のＶπ電圧の結果である。また、図中の○でプロットしたグラフは、本実施形態の補助電極にバイアス電圧を印加した構造のＶπ電圧の結果である。ここで、絶縁膜３０は、ＳｉＯ２膜を１μｍ、コプレーナ型電極は、信号線１３０の電極幅が７μｍ、電極間隔が１１μｍ、電極厚さが７μｍ、電極長が１０ｍｍであった。
【００６０】
以上の結果より、本実施形態に係る光デバイス部１００は、従来構造と比べて同じＶπを得るために必要なバイアス電圧を低下させることができ、補助電極がバイアス電圧を光導波路に対して効率的に印加できることがわかる。また、従来構造では、バイアス電圧を１４０Ｖ以上にすることで、Ｖπの変動を一定の値に収束させる傾向が得られたが、光デバイス部１００は、その半分以下のバイアス電圧である６０Ｖで、Ｖπを一定の値に収束させる傾向を得られた。
【００６１】
また、例えば、従来構造では、１４０Ｖのバイアス電圧においてＶπ＝１４Ｖを得られるのに対して、光デバイス部１００は、２０Ｖのバイアス電圧程度で同一のＶπが得られ、バイアス電圧を略１／７にできることがわかる。このように、本実施形態の光デバイス部１００によれば、従来構造に比べて、低い半波長電圧Ｖπで、もしくは、高い周波数で入力光を変調する光変調器を実現できる。
【００６２】
図７は、本実施形態に係る光デバイス部１００の第１変形例を駆動回路部２００と共に示す。本図において、図１および図２に示された本実施形態に係る光デバイス部１００および駆動回路部２００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。
【００６３】
本変形例において、第１領域に設けられた第１補助電極１５０は、第１グランド線１３２と接続される。第１グランド線１３２は、第１コンデンサ２４０を介して予め定められた基準電圧２１０に接続される。また、第１グランド線１３２は、第１インダクタ２３０を介して第１電源部２２０に接続される。
【００６４】
第２領域に設けられた第２補助電極１５２は、第２グランド線１３４と接続される。第２グランド線１３４は、第２コンデンサ２４２を介して予め定められた基準電圧２１０に接続される。また、第２グランド線１３４は、第２インダクタ２３２を介して第２電源部２２２に接続される。
【００６５】
以上のように、本変形例において、第１グランド線１３２および第２グランド線１３４は、第１バイアス電圧および第２バイアス電圧がそれぞれ供給されつつ、高周波数的にはＧＮＤ電圧に接続される。また、信号線１３０は、一端が終端され他端から高周波信号が供給される。即ち、信号線１３０、第１グランド線１３２、および第２グランド線１３４は、周波数信号源２６０が供給する駆動周波数においてコプレーナ伝送路として機能する。
【００６６】
また、本変形例においても、光デバイス部１００は、絶縁膜３０上に形成した電極と誘電体膜２０上に形成された電極との間に電界を生じさせ、より直接的に生じた電界を光導波路に印加する。これによって、光デバイス部１００は、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０に印加される電界強度の低減を防ぎつつ、絶縁膜３０の厚さを１μｍ程度以上に形成することができる。したがって、光デバイス部１００は、従来構造に比べて、低い半波長電圧Vπで、もしくは、高い周波数で入力光を変調する光変調器を実現できる。
【００６７】
以上の実施形態において、駆動回路部２００は、周波数信号源２６０を備え、信号線１３０に予め定められた周波数の周波数信号を供給する例を説明した。これに代えて、駆動回路部２００は、パルス信号源またはスイッチ回路等を備え、信号線１３０にパルス信号またはスイッチング制御信号を供給してもよい。これによって、光デバイス部１００は、パルス信号またはスイッチング制御信号に応じて、入力された光を出力するか否かを切り換える光スイッチとして動作することができる。
【００６８】
図８は、本実施形態に係る光デバイス部１００の第２変形例を駆動回路部２００と共に示す。本図において、図１および図２に示された本実施形態に係る光デバイス部１００および駆動回路部２００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。第２変形例において、光デバイス部１００は、第１差動信号線１３６と、第２差動信号線１３８と、接地電極１５４と、逆相周波数信号源２６２とを更に備える。
【００６９】
第１差動信号線１３６は、絶縁膜３０上の第１領域において、信号線１３０と第１グランド線１３２との間に形成される。第２差動信号線１３８は、絶縁膜３０上の第２領域において、信号線１３０と第２グランド線１３４との間に形成される。
【００７０】
接地電極１５４は、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０の間において、誘電体膜２０と接してまたは誘電体膜２０と絶縁膜３０との間に設けられ、予め定められた基準電圧２１０に接続される。接地電極１５４は、信号線１３０よりも第１光導波路１１０に近接して設けられてよい。また、接地電極１５４は、信号線１３０よりも第２光導波路１２０に近接して設けられてよい。第１差動信号線１３６、第２差動信号線１３８、および接地電極１５４は、金を含んでよい。
【００７１】
逆相周波数信号源２６２は、周波数信号源２６０が出力する周波数と同一で、かつ、位相が１８０度異なる周波数信号を出力する。周波数信号源２６０および逆相周波数信号源２６２は、差動信号源として機能する。
【００７２】
第２変形例において、第１補助電極１５０は第１電源部２２０に接続される。第２補助電極１５２は、第２電源部２２２に接続される。また、第１グランド線１３２および第２グランド線１３４は、基準電圧２１０に接続される。ここで、信号線１３０は、接地電極１５４と接続され、かつ、基準電圧２１０に接続される。即ち、第２変形例において、信号線１３０は、第１グランド線１３２および第２グランド線１３４と同様に、グランド線として機能する外部接地電極である。
【００７３】
第１差動信号線１３６は、第１インダクタ２３０を介して第１電源部２２０に接続される。
【００７４】
また、第１差動信号線１３６は、第１コンデンサ２４０を介して信号線の一端を周波数信号源２６０と接続され、他端を第２コンデンサ２４２を介して終端抵抗２５０に接続される。これによって、第１差動信号線１３６は、第１電源部２２０から第１バイアス電圧が印加されつつ、周波数信号源２６０からの周波数信号を一端から他端へと伝送する伝送線路として機能する。
【００７５】
第２差動信号線１３８は、第２インダクタ２３２を介して第２電源部２２２に接続される。
【００７６】
また、第２差動信号線１３８は、第３コンデンサ２４４を介して信号線の一端を逆相周波数信号源２６２と接続され、他端を第４コンデンサ２４６を介して終端抵抗２５０に接続される。これによって、第２差動信号線１３８は、第２電源部２２２から第２バイアス電圧が印加されつつ、逆相周波数信号源２６２からの周波数信号を一端から他端へと伝送する伝送線路として機能する。
【００７７】
以上のように、第２変形例に係る光デバイス部１００は、駆動回路部２００から供給される第１バイアス電圧および第２バイアス電圧が印加された差動信号を、信号線１３０、第１グランド線１３２、第２グランド線１３４、第１差動信号線１３６、および第２差動信号線１３８で構成するコプレーナ差動伝送線路に伝送させる。これによって、光デバイス部１００は、第１差動信号線１３６と接地電極１５４との電極間電圧Ｖ１に応じた電界を第１光導波路１１０に印加する。同様に、光デバイス部１００は、第２差動信号線１３８と接地電極１５４との電極間電圧Ｖ２に応じた電界を第２光導波路１２０に印加する。
【００７８】
このように、光デバイス部１００は、絶縁膜３０上に形成した電極と誘電体膜２０上に形成された電極との間に電界を生じさせ、差動信号に応じた電界を第１光導波路１１０および第２光導波路１２０に印加することができる。これによって、光デバイス部１００は、第１光導波路１１０および第２光導波路１２０に印加する電界強度の低減を防ぎつつ、絶縁膜３０の厚さを１μｍ程度以上に形成することができる。
【００７９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８０】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００８１】
１０  基板、２０  誘電体膜、３０  絶縁膜、１００  光デバイス部、１１０  第１光導波路、１２０  第２光導波路、１３０  信号線、１３２  第１グランド線、１３４  第２グランド線、１３６  第１差動信号線、１３８  第２差動信号線、１４０  第１光カプラ、１４２  第２光カプラ、１５０  第１補助電極、１５２  第２補助電極、１５４  接地電極、１６０  第１外部電極、１６２  第２外部電極、２００  駆動回路部、２１０  基準電圧、２２０  第１電源部、２２２  第２電源部、２３０  第１インダクタ、２３２  第２インダクタ、２４０  第１コンデンサ、２４２  第２コンデンサ、２４４  第３コンデンサ、２４６  第４コンデンサ、２５０  終端抵抗、２６０  周波数信号源、２６２  逆相周波数信号源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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